Präzise GD&T-Messungen durchführen

Seit der ersten Veröffentlichung der Y14.5, damals noch unter dem Namen ASA, sind mehr als 80 Jahre vergangen, und die Y14.5 und GD&T haben sich zum wichtigsten Mittel für die Übermittlung von Produktanforderungen an mechanische Komponenten und Baugruppen für praktisch alle Arten von Produkten entwickelt. Es gibt zwar mehrere verschiedene Versionen von GD&T, die von verschiedenen Nationen veröffentlicht wurden. Es gibt zwei Normen, die in der globalen Industrie und in den globalen Lieferketten vorherrschend sind. Es handelt sich dabei um das ISO- und das ASME-System. Es gibt einige bemerkenswerte Unterschiede zwischen den ISO- und ASME-Spezifikationen für GD&T.

Während es in den Vereinigten Staaten Unternehmen gibt, die sich für die ISO-Norm entscheiden, ist das in den USA gegründete GD&T-System (Y14.5), das heute unter der American Society of Mechanical Engineers (ASME) veröffentlicht wird, weltweit am weitesten verbreitet. Sogar in Westeuropa, wo ISO GD&T üblicher ist, ist ASME Y14.5 oft die GD&T-Schulung und -Anwendung, die Fachleute verwenden. Soziale Medien, die ASME-Liste der zertifizierten Fachleute für geometrische Bemaßung und Tolerierung (GDTP) und persönliche Erfahrungen aus einem Jahrzehnt GD&T-Schulung wurden kombiniert, um zu zeigen, wo diese beiden GD&T-Normen vorherrschend sind.

• Konzepte - ASME behauptet, dass es zwei Arten von Größen gibt, die für die meisten Größenmerkmale angegeben werden müssen: die lokale Größe (oder gegenüberliegende Punkte) und die Umhüllende. Im Vergleich dazu gibt ISO nur die lokale Größe an. Das zugehörige Merkmal (passender Zylinder, parallele Ebenen usw.) wird für bestimmte geometrische Toleranzen verwendet, nicht aber für die angegebene Größe.
• Anwendungen - Die Positionstoleranz ist in beiden Versionen weit verbreitet, aber ASME behält sich die Verwendung von Positionstoleranzen nur für die Lokalisierung von Merkmalen der Größe vor. In der ISO werden Positionstoleranzen nicht nur zur Lokalisierung von Merkmalen der Größe, sondern auch von nominell ebenen Merkmalen verwendet.
• Mathematik - ASME definiert die tatsächlichen Hüllkurven als kleinste Größe, die um ein äußeres Merkmal kontrahiert werden kann, oder als größte Größe, die innerhalb eines inneren Merkmals erweitert werden kann, so dass sie an den höchsten Punkten mit der/den Oberfläche(n) übereinstimmt. Dies bedeutet, dass auf die während der Inspektion erfassten Daten ein Anpassungsalgorithmus mit maximalem Einschluss und minimalem Umfang angewendet werden muss. ISO verwendet standardmäßig eine Anpassung nach der Methode der kleinsten Quadrate, obwohl bei der Anwendung von Spezifikationsoperatoren die Algorithmen für die Anpassung mit maximalem Einschluss, minimalem Umfang oder andere Algorithmen angewendet werden können.

Es gibt viele Gründe dafür, dass das ASME Y14.5-System der GD&T weltweit die dominierende Norm ist:

• Die massenhafte Verbreitung von GD&T-Schulungsmaterial auf der Grundlage der ASME Y14.5 bedeutet, dass selbst wenn viele Unternehmen versucht haben, ihre Mitarbeiter in der Anwendung des ISO-Systems für GD&T zu schulen, die Realität darin besteht, dass die Mitarbeiter in der Anwendung des ASME-Systems von Symbolen und Regeln unterrichtet wurden.
• Das Zertifizierungssystem von ASME (GDTP oder Geometric Dimensioning and Tolerancing Professional) hat dazu geführt, dass Arbeitnehmer und Arbeitgeber die professionelle Zertifizierung von ASME als Nachweis für GD&T-Kenntnisse ansehen. In einer Welt, die überschwemmt ist mit Lebenslaufaussagen wie "Ich kenne GD&T", sind tatsächlich nachgewiesene Kenntnisse wichtig.
• Die Verwendung der US-Normen erleichtert die Vergabe von Entwicklungs- und Fertigungsaufträgen an Nicht-US-Staaten.
• Die Vereinigten Staaten sind seit fast einem Jahrhundert sowohl eine Wirtschaftsmacht als auch führend in Technologie und mechanischen Innovationen.
• Unterstützende Normen wie die DMIS-KMG-Betriebssprache basieren auf den GD&T-Verfahren von ASME.

In allen Branchen kann die Nichteinhaltung technischer Spezifikationen schwerwiegende Folgen haben. Gewährleistungsklagen und Produktrückrufe können Kosten in Höhe von mehreren Millionen Dollar verursachen. Schwere Verletzungen oder der Tod eines Kunden, die auf fehlerhafte Produkte zurückzuführen sind, haben Marken geschädigt und brillante Marketingkampagnen zunichte gemacht. Selbst so banale Dinge wie verspätete Lieferungen und schlecht sitzende Teile haben den Aktienkurs börsennotierter Unternehmen sinken lassen. Da es bei der Herstellung zu Abweichungen kommen kann, ist es wichtig, die Spezifikationen so genau wie möglich zu bewerten, um sicherzustellen, dass die kritischen Grenzen einer Toleranz eingehalten werden. Wo dies nicht der Fall ist, haben wir medizinische Implantate gesehen, die bei den Patienten chronische Schmerzen verursachen, Landfahrzeuge, die die Fahrer verstümmeln, und Flugzeuge, deren Flug gefährlich sein kann.

"Wir haben gelernt, in einer Welt der Fehler und mangelhaften Produkte zu leben, als ob sie zum Leben dazugehören. Es ist an der Zeit, eine neue Philosophie anzunehmen..." Dr. Edward Deming

In der Vergangenheit gab es massive Unzulänglichkeiten bei der computergestützten Prüfung (CAI), z. B. bei einem KMG-Betriebssystem, bei der Auswertung der technischen Zeichnungsspezifikation, um einen Berichtswert zu generieren.

Eines der Hauptprobleme war die Tatsache, dass viele KMG-Betriebssysteme das Ausrichtungskoordinatensystem, auch bekannt als Werkstückkoordinatensystem (PCS), als Ersatz für einen Bezugsrahmen verwenden. Dies war von Anfang an eine schlechte Idee, aber sie war für den Kunden intuitiv und leicht zu programmieren, so dass sich die Idee durchsetzte. Eine einfache Erklärung der Unterschiede besteht darin, die Unzulänglichkeiten des PCS als Proxy (oder Ersatz) für einen tatsächlichen Bezugsrahmen aufzuzeigen. Die Achsen des Koordinatensystems der Ausrichtung können jeweils nur in eine Richtung zeigen, wobei der Schnittpunkt dieser Achsen nur einen möglichen Ursprung für das KMG definiert. GD&T-Bezugsrahmen können jedoch mehr als eine feste Achsenrichtung erfordern, und der Ursprung kann sich oft um ein Merkmal wie einen Zylinder oder eine parallele Ebene verschieben. Die Folge ist, dass diese Diskrepanzen in der Software zu falschen Bestanden- oder Fehlerwerten führen können.

Die CAMIO-Software von LK Metrology verwendet einen wirklich unabhängigen Bezugsrahmen. Der Bezugsrahmen und das Ausrichtungskoordinatensystem haben oft unterschiedliche Beschränkungen für die Freiheitsgrade, unterschiedliche Ursprünge und sogar unterschiedliche Richtungen für die X-, Y- und Z-Achse. Die Möglichkeit, zwischen den wichtigsten Normen zu wählen, ist ebenfalls in den Voreinstellungen der Software enthalten. Mit der Auswahl von ISO- und ASME-Normen können Benutzer beider globaler Normen festlegen, wie die geometrischen Toleranzen angewendet werden sollen. CAMIOs Auswahldialog ermöglicht es den Anwendern, die Spezifikationen des Ingenieurs auf eine Weise zu erfüllen, wie es mit herkömmlicher CAI-Software nicht möglich ist.

Für Qualitätsfachleute sollte es von entscheidender Bedeutung sein, ein solides Verständnis dafür zu haben, dass Messen weit mehr umfasst als das Abtasten von Teilen oder das Ablesen von Messgeräten. Eine Definition von "messen" lautet: "das Ausmaß, die Abmessungen, die Menge, die Kapazität usw. feststellen, insbesondere durch Vergleich mit einer Norm". Im Maschinenbau spielen die ISO- und ASME-Normen für Bemessung und Tolerierung eine wichtige Rolle bei der Anwendung korrekter Messungen.

Messposition

In der Vergangenheit haben viele KMG-Programmierer versucht, die Unzulänglichkeiten der Software mit verschiedenen Ausrichtungs- und Berichtsmethoden zu umgehen. Anhand der ASME Y14.5-2009 Abbildung 7-5 können einige der Tricks erörtert werden, die angewandt wurden, um die Unzulänglichkeiten des PCS zu umgehen.

In diesem ersten Beispiel wurde das PCS als Stellvertreter für einen Bezugsrahmen verwendet.

Da die Zeichnung nur einen Bezugspunkt hat, gibt es zu wenige Freiheitsgrade, als dass der Programmierer nur den Bezugspunkt B als PCS verwenden könnte. Der Programmierer wählte die untere rechte Bohrung (1 von 6), um das Werkstück auszurichten. Es wird eine minimale Positionsabweichung gemeldet, was bei allen Beteiligten ein falsches Vertrauen in das Teil weckt. Diese fehlerhafte Meldung führt zu einem falschen Vertrauen in den Fertigungsprozess, was zu niedrigeren Prüfquoten führen kann, wenn die Produktion hochgefahren wird.

In einem zweiten Beispiel stellt der Programmierer erneut fest, dass der Bezugspunkt B allein zu wenig Einschränkung für die Definition eines PCS bietet. In diesem Szenario wurde eine Ausrichtung von Ebene, Linie und Zylinder verwendet, wobei der Zylinder des Bezugspunkts B nur zur Definition des X- und Y-Ursprungs im PCS verwendet wurde. Kurz gesagt, die Achsen dieses PCS zeigen im Vergleich zu denen des ersten Beispiels alle in leicht unterschiedliche Richtungen. Dies weicht auch von den Konstruktionsanforderungen ab, da der primäre Bezugspunkt B die Achsenrichtung und die Ursprünge für die beiden anderen Achsen des Bezugsrahmens festlegt. Diese Spielerei führt zu einem höheren Abweichungswert für die Positionstoleranz, ist aber auch nicht korrekt. Sowohl das erste als auch das zweite Beispiel wurden anders als der tatsächliche Bezugsrahmen programmiert und geben daher einen falschen Wert für die Positionstoleranz an. Der Konstrukteur bzw. der Kunde dürfte sehr enttäuscht sein, wenn er feststellt, dass die Konstruktionsvorgaben nicht eingehalten werden. Die "Lösung", das PCS als Proxy für einen Bezugspunkt zu verwenden, ist nicht gleichwertig mit der Verwendung eines tatsächlichen Bezugsrahmens und kann auch nicht als gleichwertig angesehen werden.

In einem letzten Beispiel ist die Ausrichtung irrelevant. Der Programmierer erlaubt CAMIO, den Bezugsrahmen so zu verwenden, wie es der Ingenieur beabsichtigt hat - nur die Bezugsachse B. Zusätzlich zeigt der Entwurf die Positionstoleranz, die auf 6X Bohrungen angewendet wird. Aus der Lektüre der Y14.5-Definitionen und des Absatzes 4.19[vi] geht hervor, dass es sich hierbei um eine simultane Anforderung handelt und die Position aller 6 Bohrungen in Bezug auf diese einzelne Bezugsachse nur im Kontext des kollektiven Musters von 6 Bohrungen betrachtet werden muss. Aus dem Bericht geht nun hervor, dass diese Bohrung stark deplatziert ist. Das Teil ist eindeutig unbrauchbar und der Prozess muss sofort korrigiert werden. Im Vergleich zu den vorangegangenen Beispielen, bei denen eine Linie zwischen dieser Bohrung und dem Bezugsmerkmal B als Teil der Ausrichtung und des Berichts für diese Bohrung verwendet wurde (wodurch Abweichungen verborgen wurden), zeigt dieser Bericht, der nur die Bezugsachse B verwendet, dass ein großer Teil der Abweichung dieser Bohrung in der Drehung um Z liegt - d. h. in der Einhaltung des 60°-Winkelmaßes aus der Zeichnung. Die beiden Versuche mit dem Gimmick waren nicht in der Lage, dies zu erkennen, weil sie die Ausrichtung auf der Grundlage der Position dieses Merkmals drehten und nicht auf der Grundlage einer Abweichung von den 5 anderen Löchern im Muster, wie es die technische Spezifikation verlangte.

Es ist erwähnenswert, dass die Verwendung von Bezugsrahmen "bessere" oder "schlechtere" Ergebnisse liefern kann als die traditionellen Alternativen (Gimmicks). Mit diesen Beispielen sollte gezeigt werden, wie die wahre Messung Ihrer Qualitätsabteilung entgehen kann, wenn Ihre KMG-Software die Bezugsrahmen nicht richtig verwendet - was bei vielen KMG-Programmen bis heute nicht der Fall ist.

Weiteres Verständnis Standort

Im Maschinenbau hat man lange Zeit nicht verstanden, dass direkt tolerierte lineare Maße die Lage von Merkmalen nicht wirksam definieren können. Diese oft als "Koordinatenbemaßung" bezeichneten linearen Maße definieren und begrenzen nicht wirksam die Richtung, in der das Maß gemessen werden soll.

Direkt tolerierte Maße oder "Koordinatenmaße" eignen sich hervorragend für die Definition des Merkmals "Größe", da die Größe im Allgemeinen der lineare Abstand zwischen direkt gegenüberliegenden Punkten, Linien oder Ebenen eines Teils ist. Die einzige Richtung, die benötigt wird, ist also die Messung zu einem gegenüberliegenden Element. Aus diesem Grund bleiben Messschieber und Bügelmessschrauben beliebte und praktikable Optionen für diese Messungen. Wenn jedoch ein lineares Maß für die Position benötigt wird, ist mehr erforderlich, um die Richtung für die Messung zu definieren. Aus diesem Grund schreibt die ASME Y14.5 vor, dass die Abmessungen der Position auf einem Bezugsrahmen basieren müssen. Dies setzt voraus, dass es sich bei den Maßen um Grundmaße handeln muss. Grundmaße werden in der Regel mit einem Rahmen oder Kasten" um den Maßwert ausgedrückt. Nur Grundmaße sind in einem Bezugsrahmen begründet.

Die Notwendigkeit, die extrem begrenzte Nützlichkeit von direkt tolerierten Maßen zu überwinden, war der ursprüngliche Auslöser für die Entwicklung von Y14.5 und GD&T.

Viele phantasievolle Produktdesigner und Prüfer sind der Meinung, dass die Richtung der Maßlinie die Messrichtung für ein direkt toleriertes Maß angibt. Dies ist jedoch in keiner Norm festgelegt, und es gibt auch keine wirklichen Mittel zur Kontrolle dieser Richtungen, da eine Richtung nur in der mathematischen Theorie der Zeichnung verstanden werden kann. Losgelöst von dieser reinen Theorie verwandelt die physikalische Realität des Teils die Richtung jedoch in eine schwer fassbare und mehrdeutige Einheit.

Viele KMG-Programmierer haben es sich zur Gewohnheit gemacht, den Bericht über direkte Toleranzabmessungen als Abstände entlang des Ausrichtungskoordinatensystems (oder PCS) zu programmieren.

Jedes Mal, wenn eine "Messung" programmiert werden muss, um eine Achse einer Ausrichtung auszuwerten, sollte das gesamte Team sowohl die Spezifikation als auch die Auswertungsmethode ernsthaft prüfen, da diese Methoden im Allgemeinen mit Fehlern behaftet sind.

Wie dargestellt, kann die Richtung der Achse einen erheblichen Einfluss darauf haben, wo das Loch im Nennzustand als zugehörig wahrgenommen wird. Die schwarz dargestellte Bohrung war die Zeichnungsposition, aber die Ausrichtung auf die unvollkommenen Oberflächen des Teils zeigt, dass die Software leicht eine andere Position als nominell korrekt identifizieren könnte. Dies würde sich natürlich sehr nachteilig auf die Montage und Funktion auswirken.

Üblicherweise werden diese als "Abstand entlang der __-Achse", "Abstand zwischen Merkmalen entlang der __-Achse" angegeben oder in Zeichnungen ausgedrückt. Vermeiden Sie die Angabe von Orten mit direkt tolerierten Maßen und vermeiden Sie, wann immer möglich, die Angabe von Abständen mit Achsrichtungen. Die Verwendung von geometrischen Toleranzen und Bezugsrahmen ist für Konstrukteure und Prüfer ein sehr wirksames Mittel, um die Probleme mit direkt tolerierten Abmessungen für die Positionierung zu vermeiden. In den KMG-Betriebssystemen der CAMIO 8-Serie von LK Metrology werden die Bezugsmerkmale zusätzlich verarbeitet, um die zueinander senkrechten Ebenen und die entsprechenden Achsen des Bezugsrahmens in Übereinstimmung mit den ASME- und ISO-Normen zu setzen, wie in den Voreinstellungen ausgewählt.

LK Metrology verfügt über mehrere GDTP-zertifizierte Fachleute, die den Kunden bei der Erstellung präziser KMG-Prüfprogramme und der korrekten Interpretation von Zeichnungen unterstützen und sicherstellen, dass das KMG-Betriebssystem von LK, CAMIO, die Messungen wie vom Konstrukteur vorgesehen und in Übereinstimmung mit der Norm ASME Y14.5 durchführt.

Zusammenfassung

Die Nichteinhaltung von technischen Spezifikationen kann schwerwiegende und teure Folgen haben. Die CAMIO-Software von LK Metrology ist ein hochentwickeltes und leistungsfähiges Mittel zur Bewertung Ihrer Produkte hinsichtlich der Einhaltung der technischen Spezifikationen. Die Software ist in der Lage, Bezugsrahmen aus einem breiten Spektrum von Bezugsmerkmalen auszuwerten - planar, zylindrisch, parallele Ebenen und verschiedene Kombinationen in Mustern. Die Toleranzbibliothek von CAMIO unterstützt alle 14 geometrischen Toleranzen (Y14.5 1994 & 2009) und wertet diese bei Bedarf korrekt nach einem Bezugsrahmen und nicht nach der PCS-Achse aus. Die Fähigkeit, Normen zu ändern, macht CAMIO zu einer globalen Lösung.

Quelle: Metrologie Nachrichten